Ny indsigt i strømmen af ​​polymer og levende polymerløsninger

Væsker som vand er newtonsk, og deres tyktflydende adfærd er godt forstået. Imidlertid, mange almindelige væsker er "viskoelastiske". Disse væsker, som dem, der almindeligvis findes i kosmetik, sæber og maling, har en kombination af tyktflydende, væskelignende og elastisk, solide egenskaber, og vi ved overraskende lidt om, hvordan de flyder.

På trods af ikke at vide meget om deres flowegenskaber, producenter tilføjer disse væsker til mange forskellige typer dagligvarer. Uden viskoelastiske væsker, livet ville føles meget anderledes. Vi ville ikke kunne nyde det rige skum af shampoo, ej heller den seje konsistens af et gummiagtig slik, ej heller den fjedrende komfort i en velbygget atletisk sko.

For at forstå mere om disse væsker, forskere fra Micro/Bio/Nanofluidics Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) studerer strømningsegenskaber og adfærd for forskellige viskoelastiske væsker. Prof. Amy Shen, leder af enheden, og Dr. Simon Haward, gruppelederen for enheden, undersøger to specifikke typer væsker, der sædvanligvis bruges i fremstillede produkter:polymeropløsninger og 'levende polymer'opløsninger.

Polymerer er lange molekyler, der består af gentagne underenheder. Polymere løsninger har en bred vifte af applikationer, især i formuleringen af ​​fødevarer, blæk, maling og endda protesevæsker som øjendråber og kunstigt spyt. Under flow, disse lange polymermolekyler kan blive strakt ud som gummibånd, som giver væsken dens elasticitet.

I et samarbejde med Massachusetts Institute of Technology -forsker professor Gareth McKinley, Shen og Haward observerede strømningsmønstrene for en række viskoelastiske polymeropløsninger gennem et 4-vejs kryds (figur 1). Ved hjælp af en teknik kaldet flow-induceret dobbeltbrydning, de viste, at efterhånden som strømningshastigheden gennem krydset blev forøget, polymermolekyler blev meget strakt ud i en smal streng, der passerede gennem midten af ​​krydset. Flowinduceret dobbeltbrydning er forårsaget af små målbare ændringer i lysets brydning, der passerer gennem en væske, når det får strømmen. Disse ændringer i lysbrydning korrelerer direkte med elastiske spændinger i det flydende væske. Forskerne fandt ud af, at den stærke elasticitet i den dobbeltbrytende streng forårsagede alvorlige forvrængninger af de observerede strømningsmønstre. Forøgelse af strømningshastigheden førte yderligere til begyndelsen af ​​store udsving eller ustabilitet i strømningsmønstrene.

Disse eksperimenter tillod forskerne at vise, at mekanismen for ustabilitet i denne strækningsstrøm er i overensstemmelse med den for viskoelastiske ustabiliteter i andre, mere simple former for strømme. I et buet rør, for eksempel, begyndelsen af ​​ustabilitet kan forudsiges ganske godt afhængigt af de præcise geometriske forhold og væskeegenskaber. Imidlertid, indtil nu er det aldrig blevet vist, at lignende forudsigelser kan anvendes på strækningsstrømme.

Mange industrielle processer, såsom ekstrudering, fiber-spinning og inkjet udskrivning, involvere strækningsstrømme af viskoelastiske væsker. Flow ustabilitet har generelt en skadelig indvirkning på slutprodukternes kvalitet og begrænser således direkte de hastigheder, hvormed sådanne processer kan udføres. Evnen til at forudsige begyndelsen af ​​ustabilitet i sådanne strømme kan hjælpe med at optimere behandlingshastigheder og opnå overlegne slutprodukter. Resultaterne af undersøgelsen er offentliggjort i open access Nature Publishing -tidsskriftet Videnskabelige rapporter .

Micro/Bio/Nanofluidics Unit undersøger også strømmen af ​​'levende polymerer'. Ligesom polymerer, disse materialer danner lange kæder af flere gentagne enheder, men i modsætning til polymerer, disse enheder er ikke kemisk bundet sammen, men stole på andre kræfter for samhørighed. Wormlike miceller (WLM), en type 'levende polymer', form lang, stavlignende aggregater suspenderet i en opløsning. Som med polymerer, disse materialer har mange industrielle anvendelser, herunder som tilsætningsstoffer i shampoo og kosmetik og som materialer til forbedring af olie- og gasgenvinding (EOR).

WLM -løsninger pumpes i skifer under fracking for at ekstrahere mere olie og gas fra disse underjordiske klippeformationer. Opløsningerne er i første omgang tykke og gelignende, hvilket giver dem mulighed for at generere høje tryk og knække skiferen. Imidlertid, når de kommer i kontakt med kulbrinterne, micellerne adskilles, så opløsningen kan opføre sig mere som vand og let strømme ud af klippen.

Disse skiferformationer indeholder mange forhindringer, der ændrer strømmen af ​​løsninger indeni. Prof. Shen besluttede at bruge en forenklet model til at studere flowmønsteret for WLM -løsninger, når der er blokering. Dr. Ya Zhao, en tidligere kandidatstuderende ved Prof. Shen ved University of Washington, bygget en mikroskala kanal, hvor hun kunne observere strømmen af ​​WLM-løsninger omkring en cylinder, der fungerer som en hindring i strømningsvejen. Hun sammenlignede derefter strømningsmønstrene for en newtonsk væske og en WLM -opløsning ved at observere striberne dannet af fluorescerende sporstofpartikler. Hun målte også væksten af ​​spændinger i WLM-opløsningen ved hjælp af strømningsinduceret dobbeltbrydning.

At bestemme, hvordan disse materialer flyder, er afgørende for at optimere deres applikationer. Disse materialer findes i en lang række produkter og udnyttes i mange industrielle processer, gør deres optimering til en prioritet for producenterne. At bestemme deres flowadfærd er et skridt tættere på at opnå det fulde potentiale i disse produkter.